基于热敏感性和唐南效应的协同式表面灌溉策略，能够实现高盐耐受性的太阳能驱动界面蒸发过程

《Chemical Engineering Journal》：The synergistic top-watering strategy based on thermal sensitivity and Donnan effect enables high salt-tolerance solar-driven interfacial evaporation

本研究设计了一种基于PNIPAM/NaAMPS复合材料的智能蒸发器，通过整合热响应与离子选择性传输机制，有效平衡热局部化与盐沉积的矛盾，在3.5wt%和15wt% NaCl溶液中分别实现3.65 kg·m?2·h?1的高蒸发速率和160 mV最大电压输出，同时保持48小时连续运行无显著盐结晶，为可持续水-电协同生产提供新策略。

　　

张俊元|苏玉轩|曲家福|胡军迪|李建章|蔡雅辉

南京林业大学材料科学与工程学院高效利用森林资源协同创新中心，中国江苏省南京市龙盘路159号，210037

摘要

界面太阳能蒸汽生成（ISSG）凭借其低成本、高效率和零碳排放的独特优势，为缓解全球淡水和电力短缺问题带来了希望。然而，传统蒸发器难以平衡热局部化和盐分积累之间的矛盾，这对ISSG的高效稳定运行构成了重大挑战。本研究开发了一种热响应智能蒸发器，以优化水-电联产过程。该蒸发器有效解决了蒸发过程中热局部化和盐分积累之间的问题。在3.5 wt%的NaCl溶液中，蒸发速率达到了3.65 kg·m?2·h?1；同时在15 wt%的NaCl溶液中，最大电输出为160 mV。这项工作为开发智能响应型太阳能驱动蒸发器提供了新的策略和材料平台，展示了其在可持续水-电联产中的巨大应用潜力。

引言

日益严重的全球水和能源危机推动了可持续技术的发展[1]、[2]、[3]。界面太阳能蒸汽生成（ISSG）是一种有前景的海水和废水淡化技术[4]、[5]。近年来，将发电功能集成到蒸发过程中引起了广泛关注，因为它能够同时获取能量和资源[6]、[7]、[8]、[9]。 与传统海水淡化技术（如多级闪蒸）相比，ISSG具有显著优势，包括低成本[10]、[11]、[12]、高效率[13]、[14]、[15]、[16]、[17]以及零碳排放[18]、[19]、[20]、[21]。然而，实现高效、稳定且持久的水电联产系统面临诸多挑战。蒸发过程中的大量热量损失限制了能源利用率[22]、[23]，盐分的持续积累会堵塞蒸发界面，导致性能下降[24]。此外，发电所需的高效离子选择性传输往往与快速传水需求相冲突[25]、[26]、[27]。例如，引入光热或功能材料（如金属有机框架）进行热管理可能会导致界面过热和盐分加速沉淀[28]、[29]。设计具有不对称润湿性的Janus结构虽然可以减缓盐分结晶，但往往会增加热量损失，从而不利于快速蒸发[30]、[31]。因此，平衡热局部化和盐分积累之间的矛盾仍然是ISSG面临的主要挑战。 智能响应材料，特别是热响应聚合物（如聚(N-异丙基丙烯酰胺) (PNIPAM)，为蒸发界面的动态调节提供了新策略[32]、[33]。其可控的亲水-疏水转变特性为智能热管理带来了希望[34]、[35]。然而，在传统的底部供水策略下，纯PNIPAM在高温蒸发界面（高于LCST）时会发生疏水塌陷，导致供水中断（图1a）。为了解决这个问题，本研究设计了一种顶部毛细重力协同供水系统。在该系统中，水从吸水纸传输到水凝胶表面，然后从上到下渗透水凝胶，而水凝胶底部暴露在空气中（图1b）。在此基础上，引入了动态热管理机制。该机制利用了PNIPAM的热响应性：在低温（< LCST）下保持亲水状态以促进水分吸收，在高温（> LCST）下发生疏水收缩（图1d），有效减少了热辐射和对流损失。这种方法在蒸发过程中兼顾了持续的润湿性和热局部化调节。尽管如此，长时间蒸发过程中的盐分沉淀仍然是一个挑战。 受到鱼鳃从海水中排除多余盐分以维持内部稳态能力的启发，我们设计了一种带有固定负电荷的智能水凝胶。对鱼鳃的研究揭示了一种高效的呼吸机制：巨大的表面积、密集的毛细网络和专门的离子传输细胞协同工作，使海水在短时间内完成气体交换和盐度调节[36]、[37]、[38]。这一过程实现了高流体通量和精确材料选择的完美结合。通过将PNIPAM与强亲水性离子单体NaAMPS（NaAMPS）共聚，构建了一种具有稳定多功能网络的仿生“纳米流体鳃丝”（图1c）。NaAMPS的添加赋予了水凝胶双重功能：显著增强了水凝胶的亲水性，确保蒸发界面的持续湿润；固定的磺酸基团（-SO??）形成了高效的阳离子选择性通道。这些通道允许快速水流通过，同时实现Na?的选择性富集和传输。在蒸发过程中，该网络通过Donnan效应和系统诱导的Marangoni对流的协同作用有效抑制了盐分结晶，从而创造了持续高效的水电联产条件（图1e）。值得注意的是，尽管热响应材料、Donnan效应和Marangoni对流在太阳能蒸发领域已被广泛研究[39]、[40]、[41]、[42]、[43]、[44]，但本研究通过独特的材料和系统设计实现了它们的协同整合。NaAMPS上的固定磺酸基团提供了持续的Donnan排斥作用，为抑制盐分提供了静态基础。同时，顶部供水策略与热响应PNIPAM网络相结合，主动驱动Marangoni对流作为去除盐分的动态机制。这种静态-动态双重机制在水凝胶内部协同工作，代表了比以往仅依赖单一机制的方法更高的概念性进步。 本研究将热响应智能调节与多功能聚合物网络相结合，实现了多种功能的整合，包括离子选择性和盐分抑制。在3.5 wt%的NaCl溶液中，其蒸发速率可达3.65 kg·m?2·h?1（在单次太阳照射下）。即使在20%的NaCl溶液中，系统也保持了高蒸发速率（超过2.76 kg·m?2·h?1），并且连续运行48小时后未观察到显著的盐分沉淀。在户外实验中，PN2实现了水-电联产，最大开路电压达到114 mV，并在七小时内产生了4.5 g的水。这种方法成功解决了传统ISSG系统中热管理和盐分积累之间的固有矛盾，为开发高效、稳定和耐用的水电联产系统提供了新的材料和见解。

蒸发器的制备与表征

蒸发器的制备与表征

为了研究亲水磺酸基团与热响应酰胺基团之间的协同效应，设计并合成了一系列不同PNIPAM与NaAMPS质量比的复合水凝胶。具体来说，在两种单体总质量固定的前提下，制备了质量比为6:0、5:1、2:1、1:1、1:2和1:5的样品。这些样品分别标记为PNx，其中x表示NaAMPS与PNIPAM的质量比（例如，PN0（6:0）、PN1

结论

总之，成功开发了一种具有出色热管理能力的热敏感智能蒸发器。通过将蒸发器的热敏感性与Donnan效应相结合，设计了一种顶部供水策略，实现了高效且持续的动态蒸发过程，从而提高了水-电联产的效率。优化的PN2在1 kW·m?2的辐照强度下表现出3.65 kg·m?2·h?1的蒸发速率。

实验部分

MOF的合成：在DMF（60 mL）和乙酸（3 mL）的混合溶剂中加入氯化锆（ZrCl?，0.98 g），通过超声处理溶解后转移到120°C的烤箱中反应48小时，用乙醇洗涤并干燥后得到UiO-66。

PN的合成：PNIPAM和NaAMPS的总质量固定为3.6 g。两种单体在去离子水（20 mL）中以不同比例混合，然后加入5 g的10% PVA溶液和3 mL的甘油，充分混合后...

CRediT作者贡献声明

张俊元：撰写——原始稿件、软件开发、方法学设计、实验研究、数据分析、概念构思。 苏玉轩：方法学设计。 曲家福：方法学设计。 胡军迪：方法学设计。 李建章：撰写——审稿与编辑、资金申请。 蔡雅辉：撰写——审稿与编辑、撰写——原始稿件、监督、方法学设计、实验研究、概念构思。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

我们衷心感谢国家自然科学基金（编号22108125）和江苏省自然科学基金（编号BK20210627）提供的财政支持。